بهترین مکانیزم سرمایش ویژه تجهیزات پهلو به پهلو در مراکز داده چیست

جریان هوای پهلو به پهلو، تناسب چندانی با یکسری معماری‌های طراحی ندارد و در نتیجه خنک‌سازی تجهیزات مبتنی بر این الگو کار ساده‌ای نیست. در گذشته سامانه‌های تلفنی آی‌پی محور در اتاق‌های جداگانه و ایمنی قرار داده می‌شدند، اما اکنون تجهیزات چندرسانه‌ای همراه با سایر تجهیزات شبکه درون رک‌های استاندارد قرار می‌گیرند. عامل دیگری که به هم‌گرایی گسترده شبکه‌های داده‌ای مختلف کمک کرده، شبکه‌های ذخیره‌ساز SAN هستند که امکان ساده استفاده از آن‌ها همراه با دستگاه‌های سوئیچینگ شبیه به روترها بدون مشکل خاصی فراهم است. همین مسئله باعث شده تا مدیران فناوری‌اطلاعات مجبور شوند تجهیزات با جریان هوای پهلو به پهلو را با سایر تجهیزات شبکه که از الگوی جریان هوای جلو به عقب استفاده می‌کنند در کنار یکدیگر به کار گیرند. کارشناسان شبکه همواره با معضل عدم انتقال جریان هوای سرد کافی به تمامی تجهیزات درون رک‌ها روبرو هستند. اگر هوای سرد کافی به تجهیزات درون رک‌ها نرسد، عملکرد پایدار تجهیزات دست‌خوش نوساناتی می‌شود که روی فرآیندهای کسب‌وکار تاثیرگذار خواهد بود. فراموش نکنید عمر مفید تجهیزات الکترونیکی و به ویژه تجهیزاتی که درون رک‌ها قرار می‌گیرند با دمای محیطی ارتباط مستقیم دارد. اشنایدر الکترونیک پژوهشی انجام داده که نشان می‌دهد به ازای هر 10 درجه سانتی‌گراد افزایش دما از مقدار مجاز، عمر مفید تجهیزات نصف می‌شود. شکل 1 تاثیر دما بر تجهیزات الکترونیکی را نشان می‌دهد. افزایش دما همان‌گونه که در شکل 1 نشان داده شده، طول عمر و اطمینان‌پذیری خازن‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. راهکارهایی که توسط برخی از کارشناسان شبکه در مدیریت جریان هوای پهلو به پهلو استفاده می‌شود نه تنها قادر به حل تمام مشکلات نیستند، بلکه هزینه‌بر نیز هستند. به همین دلیل کارشناسان شبکه باید با اصول پایه سرمایش مراکز داده آشنا باشند.

الزامات اصلی جریان هوا

جریان هوای درون و پیرامون رک در سرمایش آن نقش اساسی دارند. برای درک بهتر جریان هوا باید به دو نکته مهم زیر دقت کرد.

1.  هوای سرد به اندازه کافی در ورودی تمامی تجهیزات فراهم باشد (برای دستیابی به هوای سرد کافی باید راهروی سرد بر مبنای معماری درستی طراحی شده باشند.)
2. مسیر جریان هوای ورودی و خروجی تجهیزات بیش از اندازه باریک نباشد یا مسدود نشده باشد.

اگر رک‌ها به شکل اصولی پیاده‌سازی شده باشند، فرآیند انتقال جریان هوای سرد از جلو به عقب بدون مشکل انجام می‌شود، زیرا معماری فوق اجازه نمی‌دهد بازگشت هوای گرم تهویه شده به ورودی تجهیزات باعث افزایش دمای بیش از اندازه تجهیزات شود. هوای گرمای که تهویه می‌شود، گرم و کم فشار است و زمانی که در معرض مکش ورودی تجهیزات قرار می‌گیرد دوباره به درون راهروها و رک‌ها کشیده می‌شود. برخی از کارشناسان معتقد هستند طبیعت هوای گرم بالارونده است و به شکل طبیعی از تجهیزات دور می‌شود، اما پر فشار بودن جریان هوا در راهروهای سرد و گرما و مکندگی ورودی تجهیزات باعث می‌شود تا هوای گرما به سمت تجهیزات برود. با این‌حال، زمانی که جریان هوا از جلو به عقب باشد، رک و تجهیزات یا پنل‌های کاذب همانند یک مانع طبیعی طول مسیر بازگشت هوای گرم تهویه شده را افزایش می‌دهند و در نتیجه احتمال بازگشت هوای تهویه شده را کم می‌کنند. متاسفانه راهکار فوق در ارتباط با تجهیزاتی که مکانیزم خنک‌سازی آن‌ها مبتنی بر جریان هوای پهلو به پهلو است، سود چندانی ندارد.

تجهیزاتی که امروزه در مراکز داده مدرن استفاده می‌شوند از مزایای بالقوه جریان هوای جلو به عقب سود می‌برند، اما تمامی تجهیزات قادر به استفاده بهینه از این مکانیزم نیستند. در شکل 2 مشاهده می‌کنید، بخش اعظمی از فضای جلوتر روتر را پورت‌های داده و کابل‌ها پوشانده‌اند. این حجم زیاد از کابل‌ها اجازه نمی‌دهند هوای سرد به شکل آزاد از جلوی سوئیچ عبور کند. اگر پورت‌ها در کناره‌های روتر قرار گیرند، مسیر عبور هوا از جلوی رک باز می‌شود، اما در مقابل کارشناسان شبکه به پورت‌ها دسترسی نخواهند داشت. به همین دلیل مشاهده می‌کنیم، در حالی که روش سرمایش پهلو به پهلو در تجهیزاتی شبیه به روترها بهینه نیست، اما در مقابل عملی است.

مشکلات رایج در زمان انتقال جریان هوا به شیوه سرمایش پهلو به پهلو

همان‌گونه که اشاره شد، هوای گرم تهویه شده از رک‌ها، به شکل طبیعی به سمت ورودی هوای تجهیزات می‌رود و اگر مکانیزم سرمایش با جریان هوای جلو به عقب کار کند، پنل‌های کاذب مانع انجام این‌کار می‌شوند، در مقابل سرمایش با جریان هوای پهلو به پهلو وجود دارد که به دلیل سه فاکتور زیر به هوای گرم تهویه شده اجازه می‌دهد به ورودی تجهیزات باز گشته و دمای هوای را افزایش دهد.

1.  تجهیزات کناری
2.  نبود وسیله‌ای برای جداسازی هوای سرد ورودی از هوای گرم تهویه شده
3.  نصب تجهیزات درون رک

متاسفانه زمانی که توان مصرفی هر یک از تجهیزات درون رک‌ها، افزایش پیدا می‌کند بر شدت این مشکلات افزوده می‌شود.

تجهیزات کناری

بیشتر تجهیزاتی که مکانیزم جریان هوای آن‌ها پهلو به پهلو است، در رک‌های با چارچوب‌های باز به کار گرفته می‌شود تا خنک‌سازی آن‌ها به شکل بهتری انجام شود، با این حال، هم ردیف بودن رک‌ها مشکلاتی را به همراه می‌آورد که افزایش مستمر دمای ورودی هوای تجهیزات با جریان هوای پهلو به پهلو یکی از این موارد است. شکل 3 این موضوع را نشان می‌دهد.

در این حالت ممکن است، هوای گرمی که از تجهیزات یک رک تهویه می‌شود، به شکل مستقیم به ورودی هوای تجهیزات رک کناری رفته و برخی موارد دمای هوای پیرامون رک‌های کناری را بیش از 10 درجه سانتی‌گراد افزایش دهد. هرچه تعداد رک‌های هر ردیف بیشتر شود، هوا به شکل مستمر گرم می‌شود. در شکل 3 این افزایش مستمر دما را رنگ‌های مختلف مسیر هوا نشان می‌دهند. امروزه بیشتر مراکز داده با چنین مشکلی روبرو هستند، زیرا پیش‌بینی الگوی جریان هوا و خنک‌سازی رک‌های با چهارچوب باز کار چندان ساده‌ای نیست.

نبود وسیله‌ای برای جداسازی هوای سرد ورودی از هوای گرم تهویه شده

در زمان به‌کارگیری تجهیزاتی با الگوی جریان هوای پهلو به پهلو هیچ مکانیزمی برای بستن مسیر بازگشت یا ایزوله کردن وجود ندارد تا مانع بازگشت هوای تهویه شده به ورودی تجهیزات شویم. در این حالت، جریان هوای گرم تهویه شده بدون مشکل به ورودی تجهیزات وارد می‌شود، مشابه با مشکلی که در جریان خنک‌سازی جلو به عقب وجود دارد. بخش عمده‌ای از تجهیزات به شکل عمودی درون رک‌ها قرار می‌گیرند. در این حالت هوای تهویه شده به سمت ورودی‌ها انتقال پیدا کرده، حجم هوای بازگشتی را بیشتر کرده، با هوای سرد ورودی تجهیزات ترکیب شده و باعث می‌شود کیفیت دمای هوای ورودی‌‌ تجهیزات به شکل قابل توجهی کاهش پیدا کند.

 نصب تجهیزات درون رک

برخی از طراحان مراکز داده با توجه به سادگی کار ترجیح می‌دهند تمامی تجهیزات، حتا آن‌هایی که الگوی جریان هوای پهلو به پهلو دارند را درون رک‌ها نصب کنند. به‌کارگیری رک‌ها برای انتقال هوای جلو به عقب فرآیند خنک‌سازی را بهبود می‌دهد، اما در مقابل در جریان هوای پهلو به پهلو تاثیر کاهنده دارد. از طرفی پوشش دو سویه رک‌ها مقاومت در برابر جریان ورود هوای سرد و خروج هوای گرم را کمی بیشتر می‌کنند. هرچه این مقاومت بیشتر شود، شدت بازگشت هوای گرم به ورودی تجهیزات بیشتر شده و بخشی از هوای گرم دومرتبه به ورودی‌ها باز می‌گردد. به همین دلیل کارشناسان معتقد هستند به‌کارگیری رک برای تجهیزاتی که بر مبنای مکانیزم جریان هوای پهلو به پهلو کار می‌کنند، مشکلات اشاره شده را بیشتر می‌کند. با این‌حال، راهکارهایی در دسترس است که با استفاده از آن‌ها می‌توان رک را با تجهیزاتی استفاده کرد که پهلو به پهلو خنک می‌شوند. تولیدکنندگان برای کاهش گرمای بیش از حد مجبور شده‌اند در زمان ساخت تجهیزات تغییرات مختلفی را برای کم کردن دمای تجهیزات با سرمایش پهلو به پهلو اعمال کنند.

عوامل تاثیرگذار بر هزینه خنک‌سازی

خنک نگه داشتن تجهیزات یک مرکز داده هزینه‌بر است. در بیشتر مواقع، میزان برقی که توسط تجهیزات سرمایشی مصرف می‌شود، معادل نیمی از کل برق مصرفی مرکز داده است و بد نیست بدانید هزینه جاری برق مصرفی تجهیزات سرمایشی از هزینه خرید سامانه‌های برق و سرمایش بیشتر می‌شود. به همین دلیل است که به‌کارگیری راهکارهایی برای پیشگیری از هدررفت انرژی در سرمایش مورد توجه سازمان‌های بزرگ قرار دارد. مشکل بازگشت هوای گرم، بر ظرفیت سرمایش موردنیاز مرکز داده تاثیر منفی نمی‌گذارد، اما به شکل محسوسی بهره‌وری سامانه سرمایشی را کمی می‌کند. هرچه میزان هوای گرم بازگشتی بیشتر شود مشکلات زیر پدیدار می‌شوند:

• برای جبران ترکیب هوای سرد با هوای گرم، باید دمای هوای CRAC را سردتر تنظیم کرد.
• به‌طور معمول، دمای هوای بازگشتی به CRAC کم است، زیرا هوای گرم بازگشتی با هوای سرد ترکیب می‌شود.
• هرچه دمای هوایی که قرار است به CRAC باز گردد کمتر باشد، مشکل افزایش رطوبت‌زدایی به وجود می‌آید و لازم است از دستگاه‌های رطوبت‌ساز مکمل استفاده شود.

معضل هوای گرم و نقاط داغی که ایجاد می‌شوند، هزینه برق CRAC را به میزان 10 درصد افزایش می‌دهد و نیاز سازمان به تجهیزات CRAC را دوچندان می‌کند که در نهایت افزایش هزینه‌ها را به همراه دارد. همچنین به این نکته دقت کنید، در شرایطی که مرکز داده به‌شکل مستمر در حال کار است، باید یکی از CRACها را به عنوان پشتیبان خاموش کرد، اما انجام این‌کار در چنین وضعیتی غیر ممکن است.

راهکارهای مفید در سرمایش مبتنی بر الگوی هوای پهلو به پهلو

تجهیزات خنک‌ساز مبتنی بر الگوی جریان هوای پهلو به پهلو را می‌توان به روش‌های مختلفی استفاده کرد. در این مقاله به چند مورد پر کاربرد از این روش‌ها به همراه ویژگی‌های کاربردی آن‌ها اشاره خواهیم کرد:

به‌کارگیری رک‌های با چهارچوب باز همراه با افزایش فاصله داخلی رک

رک‌های با چهارچوب باز همراه با تجهیزاتی استفاده می‌شوند که با جریان هوای پهلو به پهلو کار می‌کنند. یک چنین رک‌هایی مانع رسیدن هوای تهویه شده رک کناری به ورودی هوای تجهیزات نمی‌شوند و هیچ مکانیزم جداسازی قابل قبولی در این زمینه وجود ندارد. به‌طور معمول، این رک‌ها با تجهیزات با ظرفیت بالا پر نمی‌شوند و تجهیزات رک‌به‌رک و به شکل عمودی به گونه‌ای چینش می‌شوند که ورودی‌های هوای سرد تجهیزات هر رک مقابل خروجی هوای گرم تجهیزات رک کناری نباشد. البته راهکار فوق چندان ایده‌آل نیست، زیرا هوای گرم پس از خروج به بالا رفته و به ورودی هوای تجهیزات کناری می‌رسد. شکل 4 این موضوع را نشان می‌دهد. ‌همان‌گونه که در شکل 4 مشاهده می‌کنید، تاثیر بالا رفتن هوای گرم بر دمای ورودی هوای تجهیزات در رک‌های با چهارچوب باز یک مشکل جدی است. به‌کارگیری رک‌های با چهارچوب باز با کمبودهایی همراه است که از آن جمله می‌توان به کم ظرفیت بودن رک‌ها، بازگشت قابل توجه هوای گرم، کاهش بهره‌وری سامانه سرمایشی، اشغال بیش از اندازه فضا (زیرا رک با تجهیزات کمی پر می‌شود) و افزایش هزینه‌ها اشاره کرد. با این‌حال، به دلیل این‌که به‌کارگیری رک‌های با چهارچوب باز ساده است، اغلب شرکت‌ها و کارشناسان شبکه از این روش استفاده می‌کنند.

به‌کارگیری رک‌های با ظرفیت کم

رک‌های بسته نیز معایب خاص خود را دارند. متخصصان طراحی مراکز داده به دلیل محدودیت در برق و سرمایش سعی می‌کنند رک‌های بسته را با تجهیزاتی که الگوی جریان هوای پهلو به پهلو دارند پر نکنند و در مقابل تجهیزات فوق را در رک‌های با فواصل خالی عمودی نصب کرده، اما مقابل فضاهای خالی را پنل کاذب نمی‌پوشانند. یک چنین آرایشی، توان مصرفی رک را کم کرده و احتمال به وجود آمدن نقاط داغ را کم می‌کند، البته هنوز هم احتمال بازگشت هوای گرم وجود دارد که طبیعی است.

به‌کارگیری فن‌های مکمل

به‌کارگیری فن‌های مکمل راهکار رایجی برای کم کردن گرمای بیش از اندازه است. فن‌ها ممکن است درون رک‌های با چهارچوب باز نصب شوند یا از فن‌های جداگانه خارج از رک استفاده کرد. در روش فوق هدف این است که گرما با دمیدن یا مکش از تجهیزات دور شود. فن‌های مکمل بیشتر نقش یک ترکیب‌کننده را داشته و هوای گرم تجهیزات را با هوای سردی که از CRAC می‌آید ادغام می‌کنند تا هوای یکدستی به دست آید. دمایی که از خود فن‌ها تولید می‌شود از هوای سرد CRAC گرم‌تر و از هوای تهویه شده از تجهیزات خنک‌تر است. فن‌های مکمل به عنوان یک مکانیزم افزایش جریان هوای میان تجهیزات نیز استفاده می‌شوند. در شرایطی که فن‌ها دمای عملیاتی تجهیزات را کم و تعداد نقاط داغ را کاهش می‌دهند، اما در مقابل هزینه‌ها را افزایش می‌دهد.

سامانه‌های توزیع هوا از پهلو (Side air distribution)

این امکان وجود دارد که برای پیش‌بینی هوای سرد و انتقال مستقیم آن و کم کردن مشکل هوای گرم بازگشتی از الگوی هدایت هوای پهلو به پهلوی رک‌ها استفاده کرد. راهکار فوق به این شکل عمل می‌کند که هوای سرد از درب جلویی رک وارد شده و دستگاه مخصوصی که بالا یا پایین رک نصب شده هوا را از جلو به پهلو برگرداند. البته در روش فوق جای برخی از پنل‌های جلو رک پر می‌شود. شکل 5 الگوی فوق را نشان می‌دهد.

‌‌فن‌های این دستگاه، هوای سرد را با استفاده از مجراهایی که داخل خود دارند از کناره رک به ورودی تجهیزاتی که بر مبنای الگوی هوای پهلو به پهلو کار می‌کنند هدایت می‌کنند. در راهکار فوق، هوای تهویه شده از پشت رک خارج شده و احتمال بازگشت دوباره به ورودی‌ها کمتر می‌شود. راهکار فوق این مزیت را دارد که یک الگوی سرمایشی ایده‌آل را ارائه می‌کند تا تجهیزات مبتنی بر جریان هوای پهلو به پهلو بدون مشکل با مکانیزم جریان هوای جلو به عقب کار کنند. در نتیجه امکان‌ به‌کارگیری تجهیزات مختلف درون یک رک به شکل یکپارچه و هماهنگ با استاندارد EIA-310D فراهم می‌شود. مکانیزم مبتنی بر سامانه توزیع هوا از پهلو بیشترین توان مصرفی و بیشترین راندمان در عملکرد سرمایش را فراهم می‌کند و امکان به‌کارگیری آن‌ در زمان پیاده‌سازی رک‌سرورها یا بازسازی آن‌ها وجود دارد. در رویکرد فوق تعداد رک‌ها کمتر شده و راندمان سرمایش بهبود پیدا می‌کند که صرفه‌جویی در هزینه‌ها را به همراه دارد. شکل 6 نتایج حاصل از آزمایش این مکانیزم را نشان می‌دهد. سیستم توزیع هوای از پهلو اجازه کنار هم قرار دادن رک‌رها را فراهم کرده، در میزان فضای مصرفی صرفه‌جویی کرده و اجازه می‌دهد هوا به شکل مناسبی جریان پیدا کند.

محدودیت تجهیزات در الگوی جریان هوای پهلو به پهلو

در تجهیزات مبتنی بر جریان هوای پهلو به پهلو، حس‌گرهایی برای نظارت بر دمای داخلی استفاده می‌شوند. در این حال اگر دمای عملیاتی از بیشینه توصیه شده که به‌طور معمول 40 درجه سانتی‌گراد است فراتر رود، تجهیزات خاموش می‌شوند تا آسیبی به آن‌ها وارد نشود. سامانه‌های سرمایشی نیز با یک چنین سازوکار یا به عبارت دقیق‌تر دستورالعمل‌هایی به بازار عرضه می‌شوند تا تجهیزات مبتنی بر خنک‌سازی پهلو به پهلو شبیه به سوییچ‌ها و روترها به شیوه بهتری خنک شوند. این دستورالعمل‌ها به شرح زیر هستند:

• حداقل باید 15 سانتی‌متر فضای خالی میان دیواره‌ها و دریچه هوای شاسی وجود داشته باشد تا هوا بتواند عبور کند.
• برای جداسازی دو شاسی از یکدیگر، حداقل باید 30.5 سانتی‌متر فاصله افقی باشد.
• شاسی نباید در رک بیش از حد متراکم قرار گیرد.
• تجهیزات نباید در بخش پایین شاسی قرار گیرند، به دلیل این‌که گرمای اضافی که بالا می‌رود به درگاه‌های ورودی تجهیزات بالایی رسیده و شاسی‌ها بیش از اندازه گرم خواهند شد.
• شاسی‌ها نباید در رک‌های بسته نصب شوند، زیرا تهویه کافی یا به عبارت دقیق‌تر جریان هوای آزاد کافی در آن‌ها وجود ندارد.
• اگر قرار است شاسی درون رک بسته نصب شود، باید اطمینان حاصل شود که فن‌های کافی برای گردش جریان هوا وجود داشته باشند. با این‌حال بهتر است شاسی‌ها درون رک‌های باز استفاده شوند.
• درون رک از جداکننده‌ها استفاده کنید تا سرمایش شاسی به شکل بهتری انجام شود.
• تجهیزات درون رک باید مطابق با یک برنامه دقیق در مکان‌های درستی نصب شوند تا دسترسی به آن‌ها به سهولت انجام شده و جریان هوا از میان تجهیزات به خوبی عبور کند.
• تجهیزات خنک‌سازی باید در محیط‌هایی با دسترسی محدود نصب شوند و با مکانیزم‌های امنیتی مناسب محافظت شده باشند.

پیروی از یک چنین دستورالعمل‌هایی انعطاف‌پذیری طراحی و پیاده‌سازی مرکز داده را با محدودیت روبرو می‌کند. با این‌حال، به مدیران فناوری اطلاعات اجازه می‌دهند به ساده‌ترین شکل مرکز داده را مطابق با معیارهای دنیای فناوری به‌روز نگه دارند. همچنین به این نکته دقت کنید که سامانه توزیع هوای از پهلو به پیاده‌سازی رک‌های با ظرفیت بیشتر بهتر کمک می‌کند، زیرا راندمان خنک‌سازی تجهیزات را بهتر و پیش‌بینی تغییرات را ساده‌تر کرده و اجازه می‌دهد شبکه‌های داده‌ای و صدا در محیط‌های مبتنی بر راهروهای گرم و سرد به شکل دقیق‌تری با یکدیگر هم‌گرایی داشته باشند. فراموش نکنید برای دستیابی به مکانیزم سرمایش تجهیزات رک بر مبنای الگوی هوای پهلو به پهلو به یک استراتژی خاص نیاز است، به ویژه در ارتباط با مراکز داده‌ای که جریان هوای آن‌ها از جلو به عقب است و ورودی هوای برخی از تجهیزات در کناره‌ها قرار دارد که به شکل مستقیم در معرض هوای گرم تهویه شده از خود دستگاه یا تجهیزات دیگر قرار دارد.